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“悟空”號觀測到日冕物質拋射引起的銀河宇宙線正負電子福布斯下降事件

  宇宙線在太陽系內的傳播和太陽活動以及行星際環境密切相關。劇烈的太陽耀斑事件通常會伴隨產生日冕物質拋射,由太陽表面拋出的大量磁化等離子體團塊在行星際空間中傳播對部分銀河宇宙線產生屏蔽作用,進而導致地球上觀測到的宇宙線流量呈現快速下降的行為,稱為福布斯下降,以美國科學家S. Forbush名字命名。福布斯下降是探索宇宙線在太陽系內輸運過程和行星際環境的重要手段。

  過去對福布斯下降行為的研究通常通過地面布設的中子監視器進行。中子監視器探測的是宇宙線原子核和空氣發生反應后產生的次級中子,不能得到不同組分粒子的福布斯下降行為,而且其反映的是閾值以上的宇宙線產生的積分效應,也不能有效給出不同能量的下降行為。關于宇宙線正負電子的福布斯下降更是鮮有觀測。因此,通過衛星實驗直接觀測福布斯下降事件(特別是正負電子)具有重要的科學意義。

  “悟空”號暗物質粒子探測衛星是我國的首個空間高能粒子探測器,其能量分辨和成分鑒別能力在國際同類探測器中居領先地位?!拔蚩铡碧栃l星記錄到了2017年9月一次巨大的太陽耀斑后發生的福布斯下降行為。通過分析“悟空”號的數據,“悟空”號國際合作組獲得了正負電子從2 GeV到20 GeV能段的福布斯下降的精細行為,時間分辨率達到6小時。這是國際上迄今為止對宇宙線正負電子福布斯下降進行的最高時間分辨率和最高能量覆蓋的測量。作為比較,PAMELA衛星對2006年的一次電子福布斯下降的觀測最高能量僅為5 GeV,時間分辨率為2天。

圖1. “悟空”號觀測到的4個能段正負電子福布斯下降行為(藍線為中子監視器結果,粉線為DAMPE的總計數率,虛線為對DAMPE數據恢復階段的擬合)。

  此外,福布斯下降的恢復時間是理解擾動區幾何和粒子輸運過程的重要觀測量。PAMELA對2006年12月的福布斯下降觀測結果表明隨著能量升高恢復時間增長,而“悟空”號的數據揭示出恢復時間隨能量升高而變短的新行為?;謴蜁r間隨能量的復雜變化行為對常規的福布斯下降模型提出了新的挑戰。該論文10月22日發表于《天體物理雜志快報》(The Astrophysical Journal Letters),主要完成單位是中科院紫金山天文臺和臨沂大學。

圖2. 藍點為“悟空”號觀測到的下降幅度和恢復時間隨能量的變化;黃點為PAMELA對2006年12月的事件觀測結果。

  該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程、中國科學院和江蘇省雙創計劃等資助。

  文章鏈接:https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac2de6

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